DE102009046159A1

DE102009046159A1 - Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem

Info

Publication number: DE102009046159A1
Application number: DE102009046159A
Authority: DE
Inventors: Beat Kissling; Lin Yaoying
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-05
Also published as: EP2494316A1; WO2011051006A1

Abstract

Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1), mit einem ersten Ultraschallwandler (2) und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler (3), wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement (4) und zumindest ein erstes Koppelelement (5) aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement (4) im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement (5) aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler (2, 3) in einem Messrohr (8) zur Ermittlung des Durchflusses so angeordg zumindest eines Signalpfads (9) im Messrohr (8) zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler (3) ausbreiten, wobei zumindest das erste Koppelelement (5) als akustische Linse ausgestaltet ist, und dass das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von Partikeln zum ersten Ultraschallwandler (2) reflektierten akustischen Signale, wobei mit der Auswerteeinheit eine Anzahl von Amplituden der Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind, als ein vorgegebener Schwellwert und Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr (8) und zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mit einem erfindungsgemäßem Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem, mit einem ersten Ultraschallwandler und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement und zumindest ein erstes Koppelelement aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler in einem Messrohr zur Ermittlung des Durchflusses über ein Laufzeitdifferenzprinzip so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Flüssigkeit reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen. Reflexionen in der Flüssigkeit treten auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst. Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP 686 255 B1 , US 4,484,478 oder US 4,598,593 bekannt.
Ein weiteres Ultraschall-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet, ist aus der US 5,052,230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mittels kurzen Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, ermittelt. Ein Burst-Signal ist eine begrenzte Anzahl von Schwingungen vorgegebener Frequenzen, vorgegebener Dauer und damit bestimmter Bandbreite.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
Nun sind auch Verfahren und Messgeräte zu Ermittlung von Konzentration und/oder Größe von Partikeln in einem Fluid als Messmedium bekannt geworden, welche auf einem Ultraschall-Messprinzip beruhen. Die US 6,481,268 zeigt eben ein solches Messgerät mit zumindest einem Ultraschallwandler. Das vom Ultraschallwandler ausgesandte Ultraschallsignal wird von Partikeln im Messmedium zu dem Wandler reflektiert und dort als Echo registriert. Eine Ausgestaltung zeigt zwei sich gegenüberstehende Ultraschallwandler an einem Messrohr, welche die Ultraschallsignale im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse senden und/oder empfangen. Eine weitere Ausgestaltung zeigt einen einzelnen Ultraschallwandler mit einem Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist, um das Ultraschallsignal im Messrohr zu fokussieren. Eine Messung des Durchflusses ist in diesem Dokument nicht vorgesehen.
In einer weiteren Patentschrift des Stands der Technik, der US 5,251,490 ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät gezeigt, welches den Durchfluss durch ein Messrohr mit dem Doppler-Messprinzip ermittelt. Ultraschallsignale werden in Form von Wellen ausgesandt, von einer akustischen Linse fokussiert und an Partikeln im Messmedium reflektiert. Die Reflektionen sind am größten im direkten Umfeld des Fokus'. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen wird die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt.
Die US 5,533,408 offenbart ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer Kombination aus Laufzeitdifferenz-Prinzip und Doppler-Prinzip. Dazu sind jedoch jeweils dafür ausgestaltete Sensoren bereitgestellt. Zwischen den Sensoren der beiden Messprinzipien wird bei über- bzw. unterschreiten eines vorgegebenen Messwerts umgeschaltet.
In der WO 03/102512 A1 wir ein Verfahren vorgeschlagen zur Laufzeitdifferenzmessung eines strömenden Fluids, wobei zusätzlich die Reflexionen des Ultraschallsignals an Partikeln im Fluid ermittelt werden, um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln. Dazu werden zwei Ultraschallwandler in der üblichen Anordnung für eine Laufzeitdifferenzmessung vorgeschlagen, wobei zumindest einer dieser Ultraschallwandler so schnell von einem Sendezustand zu einem Empfangszustand umschaltbar ist, dass er die Reflexionen seines ausgesandten Signals an den Partikeln im Fluid empfangen kann oder es sind zusätzliche Ultraschallwandler vorgesehen, welche so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen empfangen können. Zur Ermittlung der Konzentration und der Größe der Partikel im Messmedium wird vorgeschlagen, die Doppler-Verschiebung der sich bewegenden Partikel auszuwerten. Eine Messung in stehendem Messmedium ist somit nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Ultraschall-Durchflussmesssystem bereit zu stellen, mit welchem die Partikelanzahl pro Volumeneinheit und/oder die Partikelgröße, ab einer vorgegebenen Größenordnung, von Partikeln in einem Messmedium ermittelbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem, mit einem ersten Ultraschallwandler und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler, wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement und zumindest ein erstes Koppelelement aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler in einem Messrohr zur Ermittlung des Durchflusses über ein Laufzeitdifferenzprinzip so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten, beispielsweise unter einem Winkel kleiner 90° zur Messrohrachse, wobei zumindest das erste Koppelelement als akustische Linse ausgestaltet ist, und wobei das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum ersten Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signalen, wobei mit der Auswerteeinheit die Beträge der Amplituden der vom ersten Ultraschallwandler empfangenen Reflexionssignale ermittelbar sind und wobei mit der Auswerteinheit die Anzahl der Amplituden in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert.
Die Auswerteeinheit ist geeignet zur Erfassung und zur Auswertung von Amplituden von Signalen der vom ersten Ultraschallwandlerelement empfangenen akustischen Reflexionssignale, welche Reflexionssignale von Partikeln im Messmedium zum ersten Ultraschallwandler zurück reflektierte, vom ersten Ultraschallwandler ausgesandte akustische Signale sind. Mit der Auswerteeinheit werden also die Amplituden dieser, vom ersten Ultraschallwandler empfangenen, Reflexionssignale analysiert, wobei zumindest deren Beträge, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, ermittelbar sind und wobei zumindest deren Anzahl in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind. Aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, werden die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt. Dies erfolgt über eine Zuordnung der Amplitudenbeträge zu Partikelgrößen. Somit sind nur Partikel einer vorgegebenen Größe ermittelbar. Es gibt sowohl eine Mindestgröße, als auch eine maximale Größe der Partikel. Sind die Partikel größer als die maximale Größe können diese nicht mehr in ihrer Größe differenziert werden. Die maximale Größe ergibt sich im Wesentlichen durch die Fokussierung der Linse. Aus der Anzahl der Amplituden, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, wird die Partikelkonzentration von Partikeln einer vorgegebenen Mindestgröße in dem Messmedium ermittelt.
Zumindest das erste Koppelelement ist als akustische Linse ausgestaltet, beispielsweise als plankonkave akustische Linse oder als akustische Fresnel-Linse. Das erste Koppelelement weist eine erste Kontaktfläche auf, welche im Betrieb das Messmedium kontaktiert, und zumindest eine weitere, zweite Kontaktfläche, auf welcher das erste Ultraschallwandlerelement angeordnet und befestigt ist. Die erste Kontaktfläche weist beispielsweise eine Kontur mit einem akustisch wirksamen Krümmungsradius größer 5 mm auf. Insbesondere ist dieser akustisch wirksame Krümmungsradius größer 10 mm. Gemäß einer Ausführung beträgt der akustisch wirksame Krümmungsradius höchstens 150 mm, insbesondere höchstens 50 mm. Der Krümmungsradius ist abhängig vom Messrohrdurchmesser und/oder dem Abstand der beiden Ultraschallwandler zueinander und vom Werkstoff des ersten Koppelelements sowie der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften des Messmediums, da insbesondere die Ausbreitungsgeschwindigkeit des akustischen Signals abhängig ist von dem Stoff, in welchem sich das akustische Signal ausbreitet.
Linsen sind herkömmlicherweise durch mindestens eine ellipsoide Fläche oder eine Kugelfläche begrenzt. Eine Kugel weist überall die gleiche Krümmung auf, weshalb Linsen über die Krümmung definierbar sind. Ähnliches gilt für einen Ellipsoid. Eine Ausnahme bilden beispielsweise die Fresnel-Linsen. Fresnel-Linsen sind in mehrere, beispielsweise ringförmige Abschnitte aufgeteilt, welche im Querschnitt durch die Fresnel-Linse durch Prismen angenähert werden können. Idealerweise bilden die ringförmigen Abschnitte einer Fresnel-Linse einen Ausschnitt aus einer herkömmlichen Linse mit einem vorgegebenen Krümmungsradius. Dieser ist dann vorteilhaft gleich dem akustisch wirksamen Krümmungsradius.
Natürlich sind die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten einer Linse über die Brechzahlen miteinander verknüpft. Diese hängen wiederum ab von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement.
Ein Vorteil einer Fresnel-Linse kann die geringe Dicke der Linse im Vergleich zu herkömmlichen Linsen sein. Dadurch ist das erste Koppelelement sehr dünn auszugestalten, wodurch es als Anpassungsschicht zwischen Messmedium und Ultraschallwandlerelement wirken kann, indem es die Impedanzen beider Kontaktpartner einander anpasst. Ein anderer Vorteil ergibt sich durch eine spezielle Ausgestaltung der Fresnel-Linse. Sie weist einzelne Stufen mit einer jeweiligen Höhe auf, welche jeweils näherungsweise n·λ/2 betragen, mit n einer natürlichen Zahl und λ der Wellenlänge des akustischen Signals in der Linse. Die Linse ist also quasi als λ/2-Anpassungsschicht ausgeführt, was eine verbesserte Transmission des akustischen Signals im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse nach sich führt.
Sowohl der erste Ultraschallwandler als auch der zweite Ultraschallwandler können in dem Messrohr befestigt sein, wobei die Koppelelemente der Ultraschallwandler dann das Messmedium im Betrieb berühren. Es handelt sich daher um ein so genanntes Inline-Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem. Beide Ultraschallwandler sind so zueinander ausgerichtet, und die Linse des ersten Ultraschallwandlers ist so ausgestaltet, dass sich ein akustisches Signal zwischen beiden Ultraschallwandler auf zumindest einem ersten Signalpfad ausbreitet. Daher ist dieses Inline-Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem geeignet, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens zu ermitteln.
Verwendet wird ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem insbesondere in einer Anlage der Prozessindustrie, insbesondere in einem Rohrleitungssystem hinter einem Partikelfilter, zur Überwachung der Funktion des Filters, z. B. zur Diagnose, ob z. B. kleine Lecks vorliegen oder wie hoch die Durchlässigkeit des Filters für Partikel ab einer bestimmten Größe, z. B. ab einem Durchmesser von 1 μm, ist. Den Durchmesser der Partikel heranzuziehen basiert auf einer Modellvorstellung. Eigentlich ist die reflektierende Fläche für das Reflexionssignal ausschlaggebend. Jedoch werden die Partikel im Modell als Kugeln angenommen. Dabei sind die Partikel nicht größer 100 μm, insbesondere weisen sie einen Durchmesser nicht größer 10 μm auf, und das Messmedium nicht trüber als 100 FNU, oder die Trübung des Messmediums ist z. B. kleiner 10 FNU. Bei einem sehr trüben Messsignal würde das akustische Signal möglicherweise absorbiert werden, und eine Durchflussmessung ist nicht mehr möglich. Daher sollten nur Messmedien gemessen werden, welche für das menschliche Auge noch klar erscheinen. Hier wird keine hochgenaue Trübungsmessung benötigt. Einen ersten Hinweis auf eine Fehlfunktion kann das ohnehin vorhandene Ultraschall-Durchflussmesssystem liefern, wenn es erfindungsgemäß ausgestaltet und/oder nachgerüstet ist. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist die Nachrüstung eines bereits vorhandenen Ultraschall-Durchflussmesssystems mit zumindest einem ersten Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist. Es kann dabei ein kompletter Ultraschallwandler ohne Linse mit einem erfindungsgemäßen ersten Ultraschallwandler ersetzt werden, oder das Koppelelement wird ausgetauscht. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Höhe des vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar und/oder bei Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts ist ein Alarm ausgebbar.
Im Unterschied zu Trübungsmesssystem kann mit einem erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem nicht die Trübung des Messmediums nach einem der vorgegebenen Standards zur Trübungsmessung ermittelt werden, sondern lediglich, wie bereits beschrieben, die Häufigkeit von im Messmedium auftretenden Partikeln ab einer bestimmten Größe. Es handelt sich also mehr um einen Partikelzähler als um ein Trübungsmessgerät. Der Durchfluss wird mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens ermittelt. Da für die Durchflussmessung und für die Partikelmessung, welche gleichzeitig oder zeitlich zueinander versetzt durchführbar sind, die Amplituden der Reflexionen an den Partikeln ausgewertet werden, ohne eine Doppler-Verschiebung zu berechnen, sind die Partikel auch bei sehr langsam fließendem, theoretisch auch bei stehendem Medium noch messbar.
Durch die Fokussierung mittels der akustischen Linse werden die Partikel nur in einem kleinen Volumen der Strömung des Messmediums im Messrohr bestimmt. Dieses Volumen ist abhängig vom akustisch wirksamen Krümmungsradius der Linse ROC, den Schallgeschwindigkeiten in der Linse c_Lens und im Messmedium C_Medium und der Wellenlänge des akustischen Signals λ_Medium. Das Volumen kann dabei z. B. als zylindrisch angenommen werden und wird dann als Fokalschlauch bezeichnet. Der Radius dieses Fokalschlauchs um den Brennpunkt errechnet sich beispielsweise zu
mit a dem Radius des Ultraschallwandlerelements und
Die Länge des Fokalschlauchs beträgt dann z. B.
Mit einem ROC von 5 mm einer Länge des Fokalschlauchs von 0,5 mm und einem Radius des Fokalschlauchs von 0,26 mm ergibt sich ein Volumen 0,11 mm³. Angenommen der ROC beträgt 50 mm, Länge und Radius sind 50,1 mm und 2,6 mm beträt das Volumen bereits 1064 mm³. In diesen Beispielen wird das Ultraschallwandlerelement als kreisförmig angenommen. Der Radius des Ultraschallwandlerelements, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, begrenzt natürlich das akustische Signal quer zu seiner Ausbreitungsrichtung im Moment des Aussendens. In diesem Volumen werden die akustischen Signale an den Partikeln reflektiert, womit es auch als Messvolumen bezeichnet werden könnte. In diesem Volumen wird ein sehr großer Anteil der Energie des akustischen Signals konzentriert. Es können nur Partikel gemessen werden, an welchen die akustischen Signale ausreichend reflektiert werden. Dies ist beispielsweise an den meisten festen Partikeln der Fall. Für die Reflexion spielt neben dem Einfallswinkel des akustischen Signals auf die Oberfläche eines Partikels, die akustische Impedanz von Partikel und Messmedium bzw. die Schallgeschwindigkeiten in deren Materialen eine große Rolle. Haben Messmedium und Partikel eine identisch akustische Impedanz, ergibt sich keine Reflexion. Die akustischen Impedanzen müssen also soweit auseinander liegen, dass sich ausreichende Reflexionen ergeben. Mit einer Anhebung oder Absenkung des Schwellwerts, ab welchem die Amplituden der Reflexionssignale eingehender betrachtet werden, kann somit auch verstellt werden, welche Art von Partikeln berücksichtigt werden soll.
Gemäß einer ersten Weiterbildung weist das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem eine Steuereinheit auf, z. B. einen Mikroprozessor, geeignet zur Anregung des ersten Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer ersten Form, insbesondere einer ersten Burst-Signalfolge, und geeignet zur Anregung des ersten Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer zweiten Form, insbesondere einer zweiten Burst-Signalfolge, welche von der ersten Form verschieden ist, insbesondere welche erste Burst-Signalfolge also von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. Neben kontinuierlichen Signalen, so genannten continuous waves, werden Burst-Signale zur Laufzeitdifferenzmessung eingesetzt. Hier nun sowohl zur Durchflussmessung mittels einer Laufzeitdifferenzmessung, als auch zur Partikelbestimmung. Dabei können sowohl zur Durchfluss- als auch zur Partikelmessung dieselben Signale eingesetzt werden, oder, bei gleichzeitiger Durchfluss- und Partikelmessung das gleiche Signal. In dieser Weiterbildung jedoch unterscheiden sich die Signale zur Durchflussmessung von jenen zur Partikelmessung. Die Unterschiede können in der Anzahl der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Abständen der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Pulsformen der einzelnen Burst-Signale begündet sein. Bei nur wenigen Bursts in einer Burst-Signalfolge ist die Signal-Energie geringer als bei vielen Bursts. Um eine ausreichende Amplitude der Reflexion zu erhalten, muss entsprechend viel Signalenergie in das Messmedium übertragen werden. Werden hingegen sehr viele Bursts schneller Reihenfolge ins Messmedium gesendet, ergibt sich dadurch ein schmalbandiges Signal, ähnlich einem schmalbandigen kontinuierlichen Signal.
Weitergebildet ist das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem so ausgestaltet, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt. Gemäß einer Ausgestaltung der Lösung liegt das Verhältnis zwischen 0,4 und 0,6. Die Ultraschallwandler sind im Messrohr angebracht. Um die Strömung nicht zu sehr zu beeinflussen, ragen sie, wenn überhaupt, nur zu einem geringen Teil in das Messrohr hinein. Sie haben einen festen Abstand zueinander, welcher mit dem Durchmesser des Messrohrs korreliert. Durch die Linse und deren Fokussierung wird das erste akustische gebündelt; es entsteht modellhaft ein erster Signalkegel. In Signalausbreitungsrichtung nach der Fokussierung wird das akustische Signal wieder aufgefächert, es wird breiter. Somit entsteht modellhaft ein zweiter Signalkegel, welcher mit seiner Spitze die Spitze des ersten Signalkegels im Brennpunkt der Linse berührt – es entsteht, im Modell, ein Doppelkegel. Damit noch genügend Signalenergie beim zweiten Ultraschallwandler ankommt, sollte die das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse zum Abstand der beiden Ultraschallwandler nicht weniger als 0,2 betragen, insbesondere nicht weniger als 0,4, wobei der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler insbesondere zwischen deren mediumsberührenden Flächen gemessen wird.
Mit Krümmungsradien der akustischen Linse des ersten Ultraschallwandler von 5 mm bis 50 mm und Schallgeschwindigkeiten von ca. 2000 m/s bis ca. 3000 m/s in den Koppelelementen der Ultraschallwandler, insbesondere im ersten Koppelelement des ersten Ultraschallwandlers, welche als akustische Linse ausgestaltet ist, ergeben sich Fokuslängen von 15 mm bis 60 mm, bei Messmedien mit Schallgeschwindigkeiten im Messmedium von 1100 m/s bis 1900 m/s.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest das erste Koppelelement aus einem Polymer, z. B. aus PEEK oder PVC, gefertigt ist. Ultraschallwandlerelemente bestehen z. B. aus einer Piezokeramik. Dabei ist gemäß einer Ausgestaltung als erstes Ultraschallwandlerelement eine Piezokeramikscheibe auf eine erste Kontaktfläche des ersten Koppelelements geklebt ist. Auf eine üblicherweise zwischen Koppelelement und Ultraschallwandlerelement angeordnete Anpassungsschicht wird verzichtet. Die Piezokeramikscheibe steht also in direktem Kontakt mit dem Koppelelement, nur mit einer Klebstoffschicht dazwischen.
Andererseits sind auch Flüssig-Ankopplungen z. B. mit Fett oder hochviskosem Öl anstelle des Klebers denkbar.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist zumindest das erste Ultraschallwandlerelement mit einer Sendefrequenz von mindestens 5 MHz anregbar. Meist werden Ultraschallwandlerelemente bei einer bestimmten Resonanzfrequenz angeregt. Sie besitzen einen relativ schmalen nutzbaren Frequenzbereich. Daher liegt auch die Empfangsfrequenz üblicherweise in einem Bereich um die Sendefrequenz, wodurch beispielsweise beide Ultraschallwandlerelemente näherungsweise mit der gleichen Sendefrequenz betrieben werden. Ein Vorteil einer hohen Sendefrequenz sind die kleinen Wellenlängen des resultierenden akustischen Signals wodurch die Auflösung bei der Partikelmessung steigt – es werden kleine Partikel registriert, da auch diese ein Echo zurückreflektieren.
In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem ist vorgesehen, dass das Messrohr einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20 mm, insbesondere mindestens 30 mm aufweist. Höchstens beträgt der Messrohrdurchmesser beispielsweise 150 mm oder z. B. gar nur 120 mm. Die Ultraschallwandler, insbesondere deren Linsen, werden entsprechend ausgewählt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr und zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium, mit einem ersten Ultraschallwandler und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler, welche in einem Messrohr so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten, wobei akustische Signale vom ersten Ultraschallwandler sowohl zur Ermittlung des Durchflusses des Messmediums durch das Messrohr mittels einer Laufzeitdifferenzmessung, als auch zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum ersten Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale, also den Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln, erzeugt werden. Die vom ersten Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signale werden erfindungsgemäß über eine akustische Linse fokussiert. Die akustische Linse weist dabei zumindest einen Brennpunkt auf, welcher in einem Volumen im Messrohr liegt. Akustische Signale breiten sich modellhaft entlang eines geraden Signalpfads aus. In der Realität ist deren Ausbreitung abhängig von vielen Faktoren und ist z. B. keulenförmig.
Gemäß einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt, an welchen diese Reflexionssignale reflektiert wurden. Die Partikelgröße wird somit über den Betrag der empfangenen Amplitude des Reflexionssignals, oder anders genannt, des Echos, ermittelt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird beispielsweise ein Alarm ausgegeben, bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts und/oder Alarm ausgegeben bei Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Partikeln größer eines vorgegebenen Schwellwerts in einem vorgegebenem zeitlichen Intervalls.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Höhe des vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar, z. B. durch den Benutzer, oder sie wird automatisch angepasst abhängig von Prozessparametern wie z. B. dem Messmedium und den in dem Messmedium befindlichen Partikeln, insbesondere deren akustische Impedanzen im Vergleich zur akustischen Impedanz des Messmediums.
In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, also aus deren Häufigkeit, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird. Das erste Ultraschallwandlerelement liefert ein Spannungssignal, welches in einer Auswerteinheit verarbeitet wird. Natürlich nimmt das erste Ultraschallwandlerelement auch Störungen auf, welche in dem Spannungssignal als Rauschen bezeichnet werden. Wird nun eine Schwellwertanalyse des Signals durchgeführt, werden nur diejenigen Werte weiterverarbeitet und somit als Partikel erkannt, welche über diesem vorgegebenen Schwellwert liegen. Diese Amplituden oder Peaks werden einerseits gezählt und damit auf die Partikelhäufigkeit geschlossen und andererseits über deren Betrag die Partikelgröße bestimmt.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Ultraschallwandler zur Laufzeitdifferenzmessung zu einer ersten Burst-Signalfolge angeregt wird und zur Partikelmessung zu einer zweiten Burst-Signalfolge angeregt wird, wobei die erste Burst-Signalfolge von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. So können zwei verschiedene Burst-Signalfolgen für die Durchflussmessung, also die Laufzeitdifferenzmessung, und die Partikelmessung verwendet werden. Prinzipiell sind beide Messungen auch parallel mit dem gleichen Signal durchführbar.
In einer weiteren Verfahrensweiterbildung wird zumindest der erste Ultraschallwandler zu einer Sendefrequenz größer 5 MHz angeregt. Die Sendefrequenz kann auch höher als 10 MHz sein, z. B. auch 20 MHz. Da für die Wellenlänge des akustischen Signals gilt: λ = c/f, mit c der Schallgeschwindigkeit und f der Sendefrequenz, ist die Wellenlänge kleiner bei einer höheren Sendefrequenz und sonst gleichen Bedingungen. Dadurch sind kleinere Partikel detektierbar. Ist die Sendefrequenz viel größer als 20 MHz ist die Absorption des akustischen Signals im Messmedium sehr hoch, auch wenn nur wenige Partikel im Messmedium enthalten sind. Ein ausreichend starkes akustisches Signal zur Durchflussmessung scheint dann nur sehr schwer zu realisieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem,
2 zeigt einen Ultraschallwandler eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystems.
In 1 ist erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchfluss und Partikelmesssystem 1 schematisch dargestellt. Zwei Ultraschallwandler 2, 3, welche jeweils über ein Koppelelement akustische Signale aussenden und/oder empfangen, sind unter einem Winkel zur Messrohrachse in einem Messrohr 8 befestigt. Es handelt sich hierbei um ein so genanntes Inline-Messsystem, mit welchem der Durchfluss eines nicht gezeigten Messmediums durch das Messrohr 8 ermittelbar ist. Die Mittelachse durch beide Ultraschallwandler 2, 3 soll hier modellhaft einen Signalpfad kennzeichnen, entlang welchem sich Ultraschallsignale zwischen beiden Ultraschallwandlern 2, 3 ausbreiten.
Beide Ultraschallwandler 2, 3 weisen hier jeweils eine akustische Linse 10 auf. Durch diese werden Ultraschallsignale zwischen den der beiden Ultraschallwandler 2, 3 im Messrohr 8 fokussiert. Nachfolgend wird nur noch der erste Ultraschallwandler 2 näher betrachtet. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Ultraschallwandler 2, 3 gleich ausgestaltet, wodurch die Aussagen für beide Ultraschallwandler 2, 3 gelten. Jedoch kann auch nur der erste Ultraschallwandler 2 mit einer akustischen Linse 10 ausgestattet sein.
Der Brennpunkt der akustischen Linse 10 des ersten Ultraschallwandlers 2 liegt in dem Volumen zur Partikelmessung 11. Dieses Volumen 11 ergibt sich aus der Fokussierung der Linse. Es ist hier rotationssymmetrisch um den Signalpfad 9 und im dargestellten Querschnitt im Wesentlichen elliptisch gezeichnet. In diesem Volumen werden Partikel durch Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln registriert.
Mit diesem sehr einfach aufgebauten Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem 1 lassen sich parallel oder sequentiell Durchfluss messen und Partikel zählen; vereint in einem Messgerät. Der Aufbau unterscheidet sich nicht wesentlich von einem herkömmlichen Ultraschall-Durchflussmesssystem. Daher ist es kostengünstig in der Herstellung. Durch die einfache Amplitudenanalyse sind die Partikel ohne großen Mehraufwand zur Durchflussmessung registrierbar.
Eine bestimmungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystems ist z. B. in einem Rohrleitungssystem stromabwärts eines Filters, also in Strömungsrichtung des Messmediums durch das Rohrleitungssystem nach dem Filter, z. B. zur Funktionsüberwachung des Filters.
2 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen ersten Ultraschallwandlers 2. Dieser weist ein erstes Ultraschallwandlerelement 4 auf, z. B. eine Hochfrequenz-Piezokeramik. Dieses Ultraschallwandlerelement 4 kann sowohl elektrische Signale in mechanische Schwingungen und damit in akustische Signale wandeln, als auch akustische Signale in elektrische. Es fungiert somit als Sensor und als Aktor. Das Ultraschallwandlerelement 4 sendet und empfängt akustische Signale über ein erstes Koppelelement, welches als akustische Linse 10 ausgestaltet ist. Das Koppelelement bzw. die akustische Linse 10 weist mehrere Oberflächen auf, eine erste Kontaktfläche 6, welche im Betrieb das Messmedium im Messrohr berührt und eine zweite Kontaktfläche 7, welche in Kontakt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 steht. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist beispielsweise direkt auf die zweite Kontaktfläche 7 der akustischen Linse 10 geklebt, ohne eine weitere Anpassungsschicht dazwischen. Dies soll hier jedoch nicht ausgeschlossen werden.
Das Ultraschallwandlerelement 4 ist über zwei Kabel 13 und einen Steckanschluss 14 mit einem nicht dargestellten Messumformer verbunden. In dem Anschlussraum 12 im ersten Ultraschallwandler 2 hinter dem Ultraschallwandlerelement 4 kann ein so genanntes Backing vorgesehen sein, ein Schwingungsdämpfer, welcher direkt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 verbunden ist.
Die Linse 10 ist hier als plankonkave Linse, mit einer ersten Kontaktfläche 6, welche einen vorgegebenen Krümmungsradius, hier z. B. 14 mm aufweist, und einer ebenen zweiten Kontaktfläche 7 ausgestaltet. Gleichermaßen könnte die Linse 10 als Fresnel-Linse ausgestaltet sein, mit einer, eine Kontur aufweisende, also einer konturierten ersten Kontaktfläche 6, welche einen gleichartig akustisch wirksamen Krümmungsradius aufweist. Eine Fresnel-Linse ist in mehrere Segmente bzw. Abschnitte unterteilt, welche zusammen diese Kontur mit dem akustisch wirksamen Krümmungsradius bilden.
Die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten der Linsen sind über die Brechzahlen miteinander verknüpft, wobei diese von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement abhängen. Die Stufenhöhe einer Fresnel-Linse ist beispielsweise gegeben durch n·λ/2, mit λ der Wellenlänge des akustischen Signals im Koppelelement und n einer natürlichen Zahl.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem
2: Erster Ultraschallwandler
3: Zweiter Ultraschallwandler
4: Erstes Ultraschallwandlerelement
5: Erstes Koppelelement
6: Erste Kontaktfläche des ersten Koppelelements
7: Zweite Kontaktfläche des ersten Koppelelements
8: Messrohr
9: Signalpfad
10: Akustische Linse
11: Volumen zur Partikelmessung
12: Anschlussraum im ersten Ultraschallwandler
13: Kabel
14: Steckanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 686255 B1 [0005]
US 4484478 [0005]
US 4598593 [0005]
US 5052230 [0006]
US 6481268 [0009]
US 5251490 [0010]
US 5533408 [0011]
WO 03/102512 A1 [0012]

Claims

Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1), mit einem ersten Ultraschallwandler (2) und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler (3), wobei der erste Ultraschallwandler zumindest ein erstes Ultraschallwandlerelement (4) und zumindest ein erstes Koppelelement (5) aufweist, wobei vom ersten Ultraschallwandlerelement (4) im Betrieb akustische Signale über das erste Koppelelement (5) aussendbar und empfangbar sind, welcher erste und zweite Ultraschallwandler (2, 3) in einem Messrohr (8) zur Ermittlung des Durchflusses so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads (9) im Messrohr (8) zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler (3) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Koppelelement (5) als akustische Linse ausgestaltet ist, und dass das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von Partikeln zum ersten Ultraschallwandler (2) reflektierten akustischen Signale, wobei mit der Auswerteeinheit eine Anzahl von Amplituden der Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind, als ein vorgegebener Schwellwert.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) eine Steuereinheit aufweist, geeignet zur Anregung des ersten Ultraschallwandlerelements (4) zum Aussenden einer ersten Burst-Signalfolge als akustisches Signal und geeignet zur Anregung des ersten Ultraschallwandlerelements (4) zum Aussenden einer zweiten Burst-Signalfolge als akustisches Signal, welche erste Burst-Signalfolge von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) so ausgestaltet ist, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Koppelelement (5) als plankonkave akustische Linse ausgestaltet ist.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Koppelelement (5) als akustische Fresnel-Linse ausgestaltet ist.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Koppelelement (5) aus einem Polymer gefertigt ist.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Ultraschallwandlerelement (4) eine Piezokeramikscheibe auf eine erste Kontaktfläche (6) des ersten Koppelelements (5) geklebt ist.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Ultraschallwandlerelement (4) mit einer Sendefrequenz von mindestens 5 MHz anregbar ist.
Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (8) einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20 mm.
Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr (8) und zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium, mit einem ersten Ultraschallwandler (2) und zumindest einem weiteren, zweiten Ultraschallwandler (3), welche in einem Messrohr (8) so angeordnet sind, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads (9) im Messrohr (8) zwischen dem ersten Ultraschallwandler (2) und dem zweiten Ultraschallwandler (3) ausbreiten, wobei akustische Signale vom ersten Ultraschallwandler (2) sowohl zur Ermittlung des Durchflusses des Messmediums durch das Messrohr mittels einer Laufzeitdifferenzmessung, als auch zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum ersten Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vom ersten Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale über eine akustische Linse fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ultraschallwandler (2) zur Laufzeitdifferenzmessung zu einer ersten Burst-Signalfolge angeregt wird und zur Partikelmessung zu einer zweiten Burst-Signalfolge angeregt wird, wobei die erste Burst-Signalfolge von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ultraschallwandler (2) zu einer Sendefrequenz größer 5 MHz angeregt wird.
Verwendung eines Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Durchfluss- und Partikelmesssystem (1) in einem Rohrleitungssystem nach einem Partikelfilter angeordnet ist.